Mô hình điều khiển phương tiện thủy tự hành trên mặt nước bằng Automate lai và SysML

Bài viết này giới thiệu một mô hình hướng đối tượng lai trong thực thi hệ thống điều khiển cho phương tiện không người lái tự hành trên mặt nước (ASVs); mô hình này được phân tích, thiết kế và thực thi một cách hệ thống thông qua việc cụ thể hóa automate lai và ngôn ngữ mô hình hóa hệ thống (SysML: Systems Modeling Language).
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Mô hình điều khiển phương tiện thủy tự hành trên mặt nước bằng Automate lai và SysMLNghiên cứu khoa học công nghệ Mô hình điều khiển phương tiện thủy tự hành trên mặt nước bằng Automate lai và SysML Cao Đức Sáng1, Lê Trần Thắng1, Ngô Văn Hiền2, Ngô Văn Hệ2*, Nguyễn Trọng Khuyên11 Viện Tự động hóa Kỹ thuật quân sự, Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, 89B Lý Nam Đế, HoànKiếm, Hà Nội, Việt Nam;2 Đại học Bách khoa Hà Nội, 1 Đại Cồ Việt, Hai Bà Trưng, Hà Nội, Việt Nam.* Email: he.ngovan@hust.edu.vnNhận bài: 12/01/2024; Hoàn thiện: 04/3/2024; Chấp nhận đăng: 14/3/2024; Xuất bản: 25/3/2024.DOI: https://doi.org/10.54939/1859-1043.j.mst.CAPITI.2024.175-181 TÓM TẮT Các phương tiện thủy tự hành (AUVs/ASVs: Autonomous Underwater Vehicles/AutonomousSurface Vehicles) đang được khai thác một cách hiệu quả trong việc nghiên cứu, khảo sát và khaithác tài nguyên biển. Trong đó, việc thiết kế hệ thống điều khiển cho phương tiện thủy tự hành làrất quan trọng bởi vì nó được liên kết chặt chẽ với mô hình thủy động lực học của phương tiệnhoạt động môi trường nước rất phức tạp. Bài báo này giới thiệu một mô hình hướng đối tượng laitrong thực thi hệ thống điều khiển cho phương tiện không người lái tự hành trên mặt nước (ASVs);mô hình này được phân tích, thiết kế và thực thi một cách hệ thống thông qua việc cụ thể hóaautomate lai và ngôn ngữ mô hình hóa hệ thống (SysML: Systems Modeling Language). Dựa trênmô hình lai được đề xuất này, một bộ điều khiển bám theo hướng đi trên mặt ngang của ASV môhình đã được triển khai và thử nghiệm với độ tin cậy tốt.Từ khoá: Phương tiện thủy tự hành; Điều khiển phương thủy tự hành; Automate lai; Ngôn ngữ mô hình hóa hệ thống;Công nghệ hướng đối tượng trong thời gian thực; Chuyển đổi mô hình. 1. GIỚI THIỆU Hiện nay, phương tiện không người lái tự hành dưới nước (AUV: Autonomous UnderwaterVehicles) nói chung và phương tiện thủy tự hành trên mặt nước (ASV: Autonomous SurfaceVehicles) nói riêng, đang được sử dụng phổ biến bởi các nhà đầu từ quốc phòng và dân sự cho cáctác vụ phức tạp ở môi trường nước. AUV/ASV có các đặc tính cơ bản về an toàn và chi phí hiệuquả hơn khi được so sánh với phương tiện thủy có người lái [1]. Trên thực tế đã có nhiều ứng dụngđiều khiển ASV với các giải pháp tối ưu [2-4] cho việc kiểm soát mô hình động lực học của cácAUV/ASVs này. Tuy nhiên, các mô hình điều khiển kèm theo các mô hình thủy động lực họctương ứng ở trên được phát triển theo hướng thủ tục và cơ sở dữ liệu tính toán trong kiến trúc tậptrung; do đó chúng sẽ rất khó khăn trong việc được tùy biến và tái sử dụng các thành phần điềukhiển đã được thiết kế để ứng dụng cho ASV khác nhau, nhằm giảm giá thành chi phí của thiết bịđược chế tạo [5]. Với những phân tích trên đây, bài báo đã phát triển một mô hình đối tượng lai để phân tích,thiết kế, thực hiện và triển khai một cách thuận tiện hệ thống điều khiển cho ASV với ứng xử độnglực học được mô hình hóa bởi automate lai (HA: Hybrid Automata) [6]. Trong cách tiếp cận này,các tính năng của công nghệ hệ thống hướng mô hình (MBSE: Model-Based Systems Engineering)[7], được cụ thể hóa nhằm tương thích với mô hình động lực học của ASV, bao gồm: Mô hìnhphân tích thực hiện bằng cách xác định mô hình trường hợp sử dụng với ngôn ngữ mô hình hóa hệthống hợp nhất (UML/SysML: Unified Modeling Language/Systems Modeling Language) kết hợpvới HA; Mô hình thiết kế được đưa ra thông qua các tác tạo trong thời gian thực với Real-TimeUML/SysML [8, 9], và mô hình thực thi của nó được triển khai bởi các cơ chế hướng đối tượngdựa trên nền tảng mã nguồn mở, ví dụ: OpenModelica [10] và Arduino [11], nhằm đưa ra một quitrình hướng đối tượng cho việc phân tích, thiết kế và thi hành một cách có hệ thống và nhanh chóngTạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số ĐS “Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa”, 4-2024 175 Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóahệ thống điều khiển cho ASV. Cuối cùng, cách tiếp cận này đã được áp dụng để hoàn thiện phântích, thiết kế và thực thi cho một ASV mô hình; nó cho phép phương tiện bám theo hướng đi trênmặt ngang mong muốn đặt trước. 2. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ASV2.1. Mô hình động lực học trong điều khiển ASV Một phương tiện thủy chuyển động theo 6 bậc tự do (DoF: Degree of Freedom) [12] được môtả bởi hệ phương trình (1). ?̇ = ?(?)? { (1) ??̇ + ?(?)? + ?(?)? + ?(?) = ? + ? T Trong đó: ν = (u,v, w, p,q,r ) là vận tốc của phương tiện dưới nước trong hệ tọa độ liên kết với T ...